碳納米管聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱模型進展

在聚合物復(fù)合材料中，碳材料是最常見、使用最廣泛的導(dǎo)熱粒子，如石墨烯、炭黑、石墨粉和碳納米管(CNTs)材料等。其中，石墨粉和炭黑為非納米材料，顆粒尺度較大，對導(dǎo)熱性能的提升效果不佳；而石墨烯單價高，大量使用成本高。CNTs通過分子動力學(xué)（MD）模擬計算得出其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)6000W/(m·K)，是導(dǎo)熱性能較好的材料，且性能穩(wěn)定，成本低廉。CNTs作為導(dǎo)熱粒子分散在聚合物中會形成導(dǎo)熱通路，使導(dǎo)熱系數(shù)有效增強1~2個數(shù)量級，被視為理想的導(dǎo)熱粒子。復(fù)合材料熱傳導(dǎo)依賴于CNTs的幾何形狀、CNTs與CNTs之間的連接方式、色散特征和界面熱阻等因素。本文對碳納米管/聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱模型研究進展進行綜述，比較分析了各模型之間的異同也總結(jié)了數(shù)值模擬方法，以期為碳納米管/聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能研究和設(shè)計提供參考，也對其他體系的復(fù)合材料導(dǎo)熱性能預(yù)測有借鑒意義。摘要：綜述了以聚合物為基體的碳納米管復(fù)合材料導(dǎo)熱模型，分析了復(fù)合材料熱傳導(dǎo)體系中碳納米管（CNTs）填料的作用機制，歸納了混合規(guī)則導(dǎo)熱模型、均質(zhì)模型、有效介質(zhì)模型、非均質(zhì)模型和隨機分散模型等，并總結(jié)了導(dǎo)熱模型常用的數(shù)值計算方法。這些模型豐富了導(dǎo)熱理論，可以對復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)進行初步預(yù)測，但在數(shù)值上都存在近似或者簡化處理，對碳納米管/聚合物復(fù)合材料預(yù)測廣譜性較差。未來需要對分子尺寸和界面熱阻等影響導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵因素深入探究，改善數(shù)值和表征分析方法，以期為碳納米管/聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的研究和設(shè)計提供參考，為其他復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的研究提供借鑒。結(jié)論前期研究已經(jīng)建立了較完善的碳納米管/聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱模型，其中CNTs填充體積分?jǐn)?shù)常作為直接考慮因素，當(dāng)添加顆粒以微米級或毫米級直徑按體積分?jǐn)?shù)低于3%分散在基體材料連續(xù)介質(zhì)中時，預(yù)測值與實驗測量值有較好的一致性，前述這幾種模型預(yù)測結(jié)果之間的差別很小。但是CNTs填充聚合物導(dǎo)熱模型的適用條件單一，在對CNTs直徑（d）、長度（L）以及CNTs的縱橫比等微觀因素以及碳原子的晶體（位點）的排列、缺陷的數(shù)量、形態(tài)、雜質(zhì)的存在等進行處理時常進行簡化處理。材料中CNTs與基體之間的兩相分子界面上，界面熱阻等因素也沒有進行深入表征和計算，導(dǎo)熱模型進行近似或者忽略處理，導(dǎo)致適用性較差、預(yù)測準(zhǔn)確性較低。目前，文獻(xiàn)報道導(dǎo)熱模型的研究存在的問題主要為兩方面：一方面，從分子角度來看忽略了CNTs的縱橫比、CNTs和聚合物基體分子之間的界面熱阻以及填料分子之間的相互作用；另一方面，從復(fù)合材料整體來看對CNTs和基體之間熱傳導(dǎo)機理探究不夠，預(yù)測導(dǎo)熱系數(shù)與體積分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性和實驗探究結(jié)果相差較大，且對高濃度的推廣性較差。未來導(dǎo)熱模型的研究主要對模型參數(shù)采用數(shù)值模擬計算方法進行深層次修正，提高導(dǎo)熱模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。碳納米管/聚合物復(fù)合材料相關(guān)導(dǎo)熱模型的物理意義的探究，不僅是導(dǎo)熱模型修正研究工作的難點，而且對其他體系復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響因素有實際的借鑒意義。精準(zhǔn)計算和預(yù)測材料的導(dǎo)熱性能，對制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料有直接參考價值，在民用、軍用以及航空航天等領(lǐng)域都有重